风琴管喷嘴和赫姆霍兹喷嘴射流特性分析

风琴管喷嘴与赫姆霍兹喷嘴是2种典型的自振射流喷嘴,其结构上的差异决定了射流特性的不同。基于水声学和流体网络理论,分析了2种喷嘴的结构特点及其产生的自振射流机理。为了研究2种自振喷嘴的射流特性,采用直接提取喷嘴腔内压力脉动信号的方法,通过信号分析研究自振射流的频率特性;同时,将打击试验与噪声分析方法相结合,分析了不同喷嘴射流的空化特性。试验结果表明,相对于普通喷嘴,风琴管喷嘴与赫姆霍兹喷嘴均能产生高频压力振荡并促进空化的产生,而赫姆霍兹喷嘴共振腔对射流自振幅值有放大作用且空化效果更为明显。     

喷嘴出口结构参数对自振射流振荡特性的影响

自振射流的振荡特性决定其自激振荡及冲蚀效果,受喷嘴出口结构影响较大,但其影响规律尚不十分清晰。首先从自振射流产生机理出发,分析射流频率组成及特性影响因素,探究出口结构与振荡特性的内在联系。基于信号检测手段,拾取不同出口结构下自振射流压力及噪声信号,实时调整射流作业围压以连续改变自激频率,同时对上述信号进行时频分析以实现射流自激频率及谐振腔声学固有频率的解耦。试验结果表明,扩口角度及扩口长度等喷嘴出口结构参数对自激频率具有显著影响,进而改变自振射流振荡特性。喷嘴扩口角度决定了射流自激振荡的产生与否,恰当的扩口角度能够促进射流剪切层涡环脱落,进而引起初始压力激励,而扩口角度为0°时无法产生有效自激振荡;当扩口角度由10°增加到40°时,自激频率先减小后增加;扩口角度亦会促进自振初生,一定范围内随扩口角度减小,其自振初生空化数呈增高趋势。扩口长度会影响自激频率及自振初生空化数,随扩口长度增加,自激频率减小而自振初生空化数增大。研究揭示了喷嘴出口结构参数对自振射流振荡特性的影响规律,并初步探究了其作用机理,同时定性讨论了喷嘴出口结构参数对射流自振初生空化数的影响,为深入认识自振射流振荡特性提供...     

自振脉冲喷嘴中异形结构对射流振荡频率的影响

为了提高射流的利用率,通过改变下喷嘴出口形状来增强脉冲射流打击力。基于流体力学和水声学理论,推导出自振脉冲射流振荡频率模型,并采用压力传感器测量喷嘴振荡腔内压力,对自振脉冲喷嘴进行非淹没工况试验研究,对比分析了同等当量面积的圆形和方形喷嘴振荡频率与腔内压力峰值的变化规律。结果表明,两种喷嘴的振荡频率均随腔长增大而减小,随泵压上升而升高;腔内射流压力峰值随腔长的增大呈现先减小后增大的趋势,并且存在一个最佳腔长(约为4.5 mm)。此外,方形喷嘴腔内的射流压力峰值比圆形喷嘴提高约20%。     

新型复合喷嘴非淹没空化射流仿真研究

采用FLUENT软件模拟新型复合喷嘴的非淹没空化射流流场,并与单喷嘴淹没空化射流和非淹没空化射流流场进行了对比。研究结果表明,新型复合喷嘴结构在非淹没环境下能产生良好的空化效果。     

煤层振荡脉冲流场数值模拟研究

振荡脉冲流具有强大的破坏力,可将其应用于低渗透煤层强化水力增透效果。理论分析表明流体初始扰动频率f与腔体内自激振荡脉冲频率相同,如果腔体内自激振荡脉冲频率与腔室固定频率成倍数关系,则喷嘴与射流将发生共振现象,从而使得振荡脉冲效果最优。数值模拟分析了脉冲腔内的不同工况条件下的水压分布规律,同时得出振荡器腔体内会形成关于水射流中轴线对称的巨大的空化气囊,振荡器产生的这种断续涡环流结构会使得射流效果远远高于普通射流。     

异形中心体对中心体喷嘴射流性能的影响

为拓展中心体空化喷嘴的应用场合,探索中心体空化喷嘴射流流场特性,提出了在中心体空化喷嘴中采用异形中心体的思路,通过Fluent软件,对含90°锥形柱体、平头柱体和半球柱体3种不同中心体空化喷嘴射流所产生的流场进行数值模拟,重点对流场压力分布、气含率分布以及速度分布进行了对比分析。研究发现:在非淹没情况下,含90°锥形柱体喷嘴和含半球柱体喷嘴比含平头柱体喷嘴产生的空化效果更好,含90°锥形柱体喷嘴产生的楔形空泡射流具有更强的集束性能;含90°锥形柱体喷嘴和含半球柱体喷嘴射流低压区沿轴心扩散效果明显比含平头柱体喷嘴好;含半球柱体喷嘴和含平头柱体喷嘴射流在轴心线上的速度增加比含锥形柱体喷嘴更快,含锥形柱体喷嘴空化区域扩散更稳定。     

空化水射流清洗的实验研究

在理论分析空化射流清洗机理的基础上 ,通过实验研究了基于自激振荡空化喷嘴产生空化射流 ,从而提高射流清洗效果的新型清洗方法 ,并实验研究了将该方法用于管道内壁清洗时 ,改善清洗效果的措施。     

空化水射流清洗的实验研究

本文在理论分析空化射流清洗机理的基础上，通过实验研究了基于自激振荡空化喷嘴产生空化射流，从而提高射流清洗效果的新型清洗方法，并实验研究了将该方法用于管道内壁清洗时，改善清洗效果的措施。     

脉冲来流下自激振荡喷嘴仿真研究

保证自激振荡喷嘴结构参数不变,利用FLUENT软件对脉冲来流喷嘴的振荡特性仿真分析。通过设定不同来流频率和来流速度,分析了腔内压力和速度变化趋势。仿真结果表明,脉冲来流会显著提高射流振荡效果,且当来流频率接近喷嘴装置固有频率时,出口压力峰值最大可提高3.2倍;来流速度与喷嘴结构存在一个最优匹配关系,使射流出口压力峰值达到最大。仿真结果与基于涡旋理论的自激振荡发生机理结论相符,对自激振荡喷嘴优化设计具有一定的指导意义。     

煤矿井下钻孔破碎带水力复合扩孔试验研究

为解决煤系地层常见的复杂岩层破碎带钻进塌孔而导致成孔难的问题,采用破碎带水力复合扩孔技术冲出破碎带碎渣以降低沉渣卡钻风险。水力复合扩孔技术是基于水射流扩孔与导向机械扩孔相结合的原理,开展水射流扩孔钻具研制,通过喷嘴射流冲蚀效果地面试验指导水射流扩孔钻具射流短节喷嘴结构设计。试验表明:喷嘴直径对喷嘴射流量的影响远大于射流压力对喷嘴射流量的影响;普通喷嘴和空化喷嘴射流冲蚀对煤样的破坏形态呈椭圆形且长短轴之比保持不变;空化射流的冲蚀深度是普通射流的2倍以上。水射流扩孔钻具射流短节优选3×?2.8 mm的空化喷嘴结构,其机械扩孔短节采用?89/120 mm导向扩孔钻头,形成了破碎带水力复合扩孔技术,应用于淮北某矿风抽联络巷A2顶板定向钻孔175～195 m破碎带扩孔,将孔径由98 mm扩至173 mm,降低了沉渣卡钻风险,保障了钻孔施工至深420 m。     

基于重整化群RNG k-ε湍流模型的自激振荡脉冲射流元件结构分析

高压水射流是钻井提速的基本技术手段。自激振荡脉冲射流是一种特殊的高压水射流,因其实现元件结构简单、全金属性及充分利用钻井液能量等优点,为深井、超深井钻井提速提供理论依据。基于重整化群RNG k-ε湍流模型,对自激振荡脉冲射流元件的结构参数与射流特性进行数值分析,并通过室内正交实验验证数值分析结果。表明:RNG k-ε湍流模型能够很好地描述射流元件的振荡特性;单一参数分析,当上下啧嘴直径、腔长腔径比和喷嘴锥角比分别为0.75°、0.8°、120°时,自激振荡脉冲射流性能最好;正交参数组合实验各参数对振荡特性影响规律与数值分析一致,最优的参数组合为上下喷嘴直径比为0.75、腔长腔径比0.8、喷嘴锥角为130°。     

自激振动空化喷嘴的仿真研究

用Fluent 6.0,Gambit 2.0,Tecplot 9.0等流体计算与图形分析软件对风琴管自激振动空化喷嘴喷射过程进行了仿真研究。通过建模与计算,得到了不同尺寸组合风琴管自激振动空化喷嘴内部的速度、压力分布图,分析了设计计算的风琴管自激振动空化喷嘴均可产生空化射流,验证了理论计算公式,并研究了喷嘴结构参数对喷嘴产生自激振动空化效果的影响规律,为自激振动空化喷嘴的优化设计提供了方法。     

中心体空化喷嘴全尺寸结构优化研究

为提高油罐清洗除锈效率和安全性,拓展空化水射流技术的应用场合,设计了一种用锥形喷嘴与90°锥形柱体镶嵌而成的新型中心体空化喷嘴。通过Fluent软件,采用无量纲量,针对不同喷嘴出口段圆柱长度、外喷嘴直径、中心体直径以及内嵌深度参数组合的多种工况进行数值模拟,重点对射流流场的压力分布和气含率分布进行了对比分析,研究表明:所设计的喷嘴射流绕流能够有效产生空化,空化区域主要存在于90°锥形柱体末端附近;含90°锥形柱体中心体空化喷嘴结构的四大参数(L、D、d、l)必须相互配合,在l/d=1附近、L/D=1.5~2.5、D/l=2~2.5能够产生较好的空化效果。     

基于CFD内壁微振荡腔喷嘴雾化特性数值研究

为了研究喷嘴内部结构对矿井喷雾除尘的影响,利用Fluent软件,基于网格独立性检验和SIMPLEC算法对不同结构的内壁微振荡腔喷嘴的内部流场进行数值模拟。结果表明:喷嘴内壁微振荡腔的结构对出口速度影响较大,入口压力8 MPa时两喷嘴出现速度极差;两喷嘴在流场中沿着轴线方向速度逐渐递增,最终在喉道段产生最大速度;阶梯式内壁微振荡腔喷嘴与规则的内壁微振荡腔喷嘴相比,出口速度更大;在内壁微震荡腔喷嘴中,雾化现象都在微振荡腔内部以及腔体开口处产生,并且会在微振荡腔内产生不同程度的涡流。     

煤层气井造穴射流破岩试验研究

通过水射流造穴进行洞穴完井是煤层气井重要的完井方式。为了优选造穴射流工具的喷嘴,提高射流造穴直径和效率,通过制备相似煤岩试样,采用室内试验的方法,进行了连续射流和空化射流的破岩效果试验,并在现场造穴施工中进行了应用。结果表明:自由射流条件下,连续射流在喷距为200 mm时破岩效果最好,空化射流在喷距为300 mm时破岩效果最好。淹没射流条件下,连续射流未能冲蚀煤岩试样;空化射流的冲蚀直径则呈先增加后减小并趋于稳定的状态,在淹没深度为200 mm时冲蚀直径达到最大,冲蚀深度随着淹没深度的增加而增加,在淹没深度为300 mm以后,冲蚀深度趋于稳定缓慢减小。研究结果为造穴射流工具的喷嘴选型及结构优化设计提供了依据。     

自激振荡脉冲射流装置的固有频率特性

运用流体网络理论建立了自激振荡脉冲射流装置的相似网络模型,数值计算分析了系统频率特性。计算表明,该喷嘴装置具有压力谐振特性和低通滤波特性,其固有频率主要由喷嘴的形状、结构参数和波速决定,流体压力和振荡腔长对系统的频率性影响很大,存在产生最大谐振峰值的最佳腔长范围,计算结果与实验吻合,另外还提出了喷嘴的设计准则。     

超声波雾化喷嘴共振腔对雾化特征的影响研究

针对流体动力式超声波雾化喷嘴空间分布不均、噪声大的问题,采用数值模拟结合实验的方法,对喷嘴共振腔对雾化特征的影响进行了研究,计算获得共振腔的振荡特性,拍摄到了雾化近场特征,并测量了液滴的平均粒径及喷嘴噪声声压级。研究结果表明：对于目标喷嘴,吞吐模式与非吞吐模式下共振腔的压力振荡频率分别由喷嘴压力比和几何结构决定;吞吐模式下,共振腔深度增大导致压力振荡频率降低,容易导致喷嘴产生过大噪声,而过小的深度会导致腔口膨胀气流流速过低;共振腔内径对振荡频率影响较小,但内径过大会导致液滴空间分布不均及压力振幅下降;喷口到腔口的间隔距离影响声压级大小,喷嘴索特平均直径与声压级大小成反比。     

降尘用超声雾化喷嘴内流场仿真及参数优化实验研究

通过数值计算和实验测试手段研究了降尘用超声雾化喷嘴的内外流场。结果表明:通过超声雾化喷嘴内部流场的压力和速度矢量分布可以看出:射流喷嘴进口处和超声波振荡腔内部的压力分布较大。液体速度经过超声波振荡腔后速度减小,并且在喷嘴内部形成了漩涡。随着射流水压的增加,雾滴D50表现出明显减小趋势。随着以射流喷嘴口为起点距离超声波振荡腔的相对距离的增加,雾滴D50表现出先减小后增加,雾滴速度表现出先增大后缓慢减小,得到最佳的超声波振荡腔位置为3.5 cm。     

矿井降尘超声雾化喷嘴空化流动特性仿真研究

基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法,应用自动生成网格技术,采用两相流混合流体完整空化湍流模型;对矿用Hartmann型超声雾化喷嘴的管流型空化进行非定常数值模拟研究。模拟结果揭示超声雾化喷嘴管流型空化发生机理和空化泡的流动特性,预测超声雾化喷嘴的空化产生部位和程度;喷嘴内部和喷嘴口外侧空化强度较大,谐振腔内部无空化现象,只是起到空化泡的破碎作用;进口压力大于3 MPa后对气相体积分数和空化强度影响较小。     

空化水射流声震效应促进瓦斯解吸渗流测试装置的改进

为确保完善空化水射流声震促进含瓦斯煤层解吸试验效果,针对原研制的模拟试验台存在的不足,对实验空化腔及其配套的型煤试件成型装置进行改进和重新研制。利用环向和密封圈等全方位密封技术可使三轴压力室、空化腔在高围压下及5 MPa瓦斯压力下达到较长时间的良好密封效果;依靠空化腔内布置的文丘喷嘴及高压射流装置激发腔体产生空化效应促进含瓦斯煤层解吸;依托于空化腔水进出口压力传感器实时监测空化腔空化效应;凭借布置的温度和瓦斯压力传感器、引伸计及配套的试验控制软件连接,模拟空化声震效应含瓦斯煤样瓦斯解吸渗透特性及声震过程中的煤样全应力-应变过程演化规律,实时监测空化声震过程中空化腔内温度及其瓦斯渗渗流的变化规律。此外,在循环系统设计了气-液-固体分离器,解决三相排出问题,使三相分离成为可能,提高了试验可操作性。利用改进后的实验装置系统开展模拟实验表明,空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸渗流,瓦斯解吸量及解吸速度都有不同程度的提高;声震下空化腔内温度变化及含瓦斯煤试样变形规律验证了空化声震效应的热效应、机械震动效应与致裂损伤效应这一物理现象。